基于喷雾技术的绿色屋顶复合系统，用于提升建筑围护结构的热能效率

《Journal of Building Engineering》：Spray-based green roof composite systems for thermal and energy efficiency enhancement in building envelopes

本研究针对高夏季温度和强太阳辐射地区，开发了喷雾冷却绿色屋顶系统（SGCS），通过实验分析温度、湿度、含湿量和焓对冷却性能的影响，发现协同效应可降低室内温度达7.12°C，并建立预测模型优化喷洒策略，使水耗减少40%，为双碳目标下的绿色基础设施提供有效解决方案。

　　

王星天|郑璐|姚万祥|孟曦|高伟军|深田弘隆|张胜

青岛理工大学，中国青岛266033

摘要

随着“碳达峰和碳中和”战略的逐步实施，减少建筑能耗和提高室内热舒适度变得越来越重要。针对夏季温度高且太阳辐射强烈的地区，本研究开发的喷雾冷却绿色屋顶系统为增强建筑物的被动冷却和支持气候响应性设计提供了一种可行的解决方案。该系统提出了一种新型喷雾冷却绿色屋顶技术，旨在提高热调节效率的同时最小化资源消耗。通过实验测量，我们系统地分析了四个关键空气参数——温度、相对湿度、含水量和焓——对系统冷却性能的影响。结果表明，室内温度最大降低了7.12°C，热量传递得到了有效抑制，这主要归功于喷雾蒸发、植被隔热和植物蒸腾作用的协同作用。我们建立了预测模型，量化了喷雾操作与热湿参数之间的关系，多项式回归取得了优异的相关性（R² > 0.8）。此外，我们还建立了一个耦合因子模型，全面评估了喷雾冷却绿色屋顶的热调节效果。基于这些模型，我们优化了喷雾控制策略，在保持相同冷却效果的同时将用水量减少了40%。这项研究为在双重碳战略下开发经济高效、支持城市可持续性的绿色基础设施提供了宝贵的见解。

引言

随着中国推进“碳达峰和碳中和”战略，建筑行业作为主要的能源使用者和碳排放源，必须优先考虑节能和减排，以支持可持续的城市发展[1]、[2]。在城市更新和发展中，降低建筑能耗同时提高室内热舒适度对于提升生活质量和促进城市生态可持续性至关重要。在城市化加速和气候变化加剧的双重压力下，这一问题的紧迫性更加突出。

作为直接暴露在室外环境中的建筑围护结构的重要组成部分，屋顶不断受到太阳辐射、空气温度、风、雨等自然因素的影响。这使它们容易吸收和积累大量热量[3]、[4]。这种热量吸收通过传导和辐射传递到室内，增加了夏季的冷却负荷和冬季的供暖需求，从而提高了整体建筑能耗并破坏了室内热稳定性。过高的屋顶表面温度会导致室内温度波动，降低居住者的热舒适度，甚至可能带来健康风险[2]、[5]、[6]。

因此，提高屋顶能源效率的创新成为减少建筑能耗和改善室内热舒适度的关键途径。探索如何优化屋顶结构、改进材料性能或引入主动调节系统[1]、[2]、[3]、[4]以减少热量吸收和传递[8]、[9]已成为建筑能源效率领域亟需研究的重点方向。这一领域的突破对于推动绿色建筑发展和支持城市实现“双碳”目标具有重要的实际意义。

屋顶优化和改造是改善室内热环境的有效手段[1]、[2]、[3]、[4]、[7]。近年来，屋顶技术研究发展迅速。屋顶改造技术主要分为两类：主动式和被动式。被动式冷却屋顶技术[8]、[10]、[11]、[12]、[13]（如水箱-气凝胶结构[13]、真空绝缘板[14]和冷屋顶[12]）通过改变屋顶反射率和热传递特性来改善建筑热环境并缓解城市热岛效应[8]、[10]。同时，主动式冷却屋顶技术[15]、[16]、[17]、[18]（如结合聚氨酯泡沫的主动气流系统[17]、创新通风屋顶[18]以及循环水辐射天空冷却系统[19]、[20]、[21]）已被证明非常有效。此外，绿色屋顶也是缓解城市热岛效应的有效措施，这一效果已在多项研究中得到验证[5]、[6]、[22]、[23]、[24]、[25]。

喷雾冷却系统通过在特定区域部署喷雾设备来利用水的蒸发冷却效应。细小的水滴迅速吸收周围空气中的热量，从而降低环境温度。该技术具有高成本效益和显著的环境效益，有效缓解了室外高温问题，并已在多个领域得到广泛应用：在农业中用于调节养殖和栽培环境[26]、[27]；在工业中用于制造过程中的温度控制[28]、[29]；在建筑领域用于改善户外空间（如广场、室外亭子、车站候车区以及建筑物内部[30]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]、[36]、[37]的热环境。

孟等人的研究[38]表明，喷雾冷却系统在高温环境中的降温效果已得到充分验证，显示出改善城市热环境的巨大潜力。当应用于建筑场景时，其快速吸热能力可以直接在建筑表面发挥作用。通过降低表面温度，它减少了建筑物的热辐射负荷，从而有助于优化室内热环境。特别是在受城市热岛效应严重影响的地区，喷雾冷却可以作为一种补充措施，与其他生态调节技术形成协同效应。

“基于喷雾的绿色屋顶复合系统（SGCS）”通过将喷雾系统与绿色屋顶结合，进一步优化了现有的屋顶冷却技术。绿色屋顶本身在生态调节和减少能耗方面具有优势。喷雾系统通过其即时冷却效果增强了这种热调节能力：一方面，喷雾系统直接冷却屋顶表面，减少建筑物的热辐射负荷[30]、[32]；另一方面，它与绿色屋顶的协同作用更有效地改善了室内热环境。特别是在炎热夏季和寒冷冬季（HSCW）地区，该系统可以显著提高建筑物的热舒适度[38]。

目前，虽然一些研究已将喷雾系统应用于温室屋顶（例如：王等人的研究[39]证实喷雾可以降低玻璃幕墙和室内温度）。毛等人[40]比较了连续喷雾与间歇喷雾模式的效果，发现10分钟喷雾/50分钟间隔的方案在冷却效果和用水量之间达到了最佳平衡。王等人指出，喷雾停止后屋顶表面温度可以保持稳定的冷却效果长达5分钟。专门研究“SGCS”对室内热舒适度直接影响的研究相对较少，其协同调节机制需要深入探索。

总之，本文研究与现有文献的比较见表1。目前关于将喷雾冷却技术应用于屋顶的研究仍存在以下不足：

问题1：调节机制不明确。现有研究主要验证了喷雾系统在调节建筑热环境方面的有效性，但尚未阐明其背后的作用机制。

问题2：缺乏预测模型。缺乏动态热环境调节模型，难以确定SGCS的关键性能驱动因素。

问题3：缺乏优化策略。喷雾操作策略（如循环时间、喷雾持续时间）尚未系统优化，阻碍了在调节效果和经济效率之间取得平衡。

为解决这些研究空白，本文的创新贡献总结如下：

(1)

验证SGCS的热环境调节性能并阐明其背后的调节机制。

(2)

构建建筑热环境调节模型，以确定影响系统性能的关键因素。

(3)

通过实验测量优化喷雾操作周期，以实现冷却效果和经济可行性的双赢。

与现有研究相比，当前将喷雾冷却技术应用于屋顶的应用在机制阐明、预测建模和优化策略方面仍存在显著不足。为解决这些空白，本文建立了一个涵盖“机制-模型-策略”的完整研究框架，为基于喷雾的绿色屋顶复合系统提供了系统的解决方案。具体而言，我们不仅阐明了喷雾蒸发、植被层隔热和植物蒸腾作用之间的协同机制，还基于多元回归开发了一个动态热湿预测模型（R² > 0.8）。在此基础上，我们提出了一种优化后的喷雾策略（W-3模式），在保持冷却效果的同时将用水量减少了40%，从而显著提高了系统的经济效率。这种端到端的研究方法填补了该领域在理论分析、定量设计和操作优化方面的空白。

本文的结构如下：第2章是研究方法，详细介绍了研究方法和实验系统的设置。第3章是实验结果和分析，展示了以下方面的发现：（1）热环境调节效果的评估与分析；（2）热环境调节模型的构建；（3）喷雾策略的优化。第4章是结论，总结了研究的主要发现和意义。

实验测量

• (1)
  天气参数

本研究的测试地点位于（36°04′06″N, 120°22′57″E）。实验在2024年8月11日至14日和8月23日至24日的夏季自然条件下进行，评估了SGCS的热性能和经济效益。选择了8月12日至13日和8月23日的数据进行深入分析。在此期间，青岛的空气温度在27.32°C至34.56°C之间波动。

建筑热环境影响因素分析

• (1)
  温度调节性能

为了分析关键因素对建筑热环境的影响，选择了两个具有代表性的实验日进行详细讨论。选择这些日子是因为它们对应于典型的夏季天气条件，具有较高的太阳辐射强度和相对稳定的环境温度，这对于评估所提出系统的热性能至关重要。此外，选定的日子还具有完整的数据记录。

结论

本研究通过实验评估了基于喷雾的绿色屋顶系统的热调节性能和能量控制机制，并在此基础上构建了一个模型来量化这些机制。主要发现如下：

(1)

对四个关键空气参数——温度、相对湿度、含水量和焓——对喷雾冷却绿色屋顶冷却性能的影响进行了全面分析。实验结果量化了系统的热

作者贡献声明

王星天：资金获取、概念构思。孟曦：监督。高伟军：监督。郑璐：写作——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、监督、软件、项目管理、调查、数据整理。姚万祥：方法论、资金获取。深田弘隆：概念构思。张胜：监督

利益冲突声明

?作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者衷心感谢国家自然科学基金（资助编号：52178083和52478091）、山东省自然科学基金（资助编号：ZR2023ME185）以及山东省泰山学者青年专家资助计划（资助编号：tsqn202306236）的支持。